地質工程是超大直徑盾構施工安全的基礎

周嵩 刁志剛

近15 年超大直徑盾構高速發展，從穿江越海的水下走到高樓林立的城區，從較單一的軟弱地層進入到全斷面巖層，埋深及獨頭掘進長度也逐步加大。隨著盾構隧道向大直徑、大埋深、長距離方向發展，絕大部分要遇到復合地層。地質是盾構施工的基礎，地質工程的創新對超大直徑盾構施工的影響更加直接和重大。在普遍關注盾構機自身技術進步的同時多關注地質工程同樣是必需且有意義的。結合近年在超大直徑盾構在繁華城區、洞身全斷面巖層但上覆蓋不良地層、濱海水域高度差異化地層掘進中出現的新問題，有必要回歸地質工程的本身，從地質區域構造和巖土礦物組成兩方面最原始的層面探尋影響超大盾構施工的創新方向和做法。本文結合普通地質學基礎知識從更加基礎的知識領域探求影響超大盾構施工安全的因素及提升施工功效的技術和方法。

截至2021 年初國內在建和已建的14 米直徑以上的超大盾構隧道有35 座。每一座都有成功的經驗，但過程中也是困難重重，有的也付出巨大代價。改造自然總是一個逐步探索的過程，從基礎工作做起，從源頭上辨識風險才是科學的、有效的。地質是盾構施工的基礎，地質工程的創新對超大直徑盾構施工的影響更加直接和重大。在普遍關注盾構機自身技術進步的同時多關注地質工程是同樣有意義和必需的。竺維彬在復合地層盾構工程的技術創新與進展中提出地質是基礎。地質學是科學，科學與工程與技術三者之間是互聯互通的且互為首尾，互相影響的。其中的普通地質學是基礎中的基礎，原始性創新的起點和支點，是溫故知新和守正創新的關鍵。王思敬提出地質工程創新的概念，他指出過去的工程建設要講科學，現在的工程建設則追求智能化、精準化，既要保證安全、質量，又要高效、經濟和環境友好；科學研究允許失敗，但工程建設只能成功，因此做工程比進行科學研究更難。伍法權在第10 屆全國工程地質大會學術總結中再次強調了原始性創新方向。李慕涵在沿海地區高度差異化地層中超大直徑盾構施工技術探索中分析了超大直徑盾構面臨的現實地質差異化大的問題。楊志勇 等早在2012 年北京地鐵盾構隧道安全風險組段劃分方法研究中就提出了依據不同地層和環境特點進行組段劃分，這對2020年軌道交通地質風險控制技術指南的推出有奠基作用。與此同時，尚彥軍、李曉昭等對巖石工程中工程地質巖組與巖體質量進行了分級并對比研究、土體工程地質層組進行了劃分，隨著多項超級工程的建設，多項基礎性的研究也再向前推進。吳福寶云母石英片巖片理面力學特征試驗研究、解亞東隧道穿越綠泥石片巖地段施工方案優化比選，王全亮某石英云母片巖的礦物學特征及綜合利用分析中已經開始對巖石中的礦物進行分析。李有兵大直徑泥水平衡盾構穿越上軟下硬地層的施工技術研究，鄧金塘盾構隧道下穿海底黏土地層快速施工技術中的黏土就是對盾構影響很大的一種礦物。除了礦物影響盾構施工的就是區域地質構造。呂赟珊在構造地質與工程地質的基本關系中分析的較為全面，今后保證工程安全的重要研究方向也是地質構造。盾構隧道的控沉技術需要從地質科學中去尋找，按隧道上覆土厚度與隧道開挖直徑的相互比例關系，淺層隧道基本在第四紀地層中，對地表的影響直接而快速，但隨著隧道覆蓋層的增厚，深層隧道進入了第四紀以前更早期形成的巖層，城區常常是巖層在下其上是覆蓋的第四紀土層，這時深層隧道與地質關聯變的更加復雜，因為地表的沉降反應不再那么直接和快速，沉降的范圍和大小也變得更為復雜；另外對于超大直徑且盾體無鉸接設計的盾構機而言，刀盤開挖直徑較盾尾外徑大約250～300mm，若遇軟硬不均層等無法快速掘進的地層時，單環掘進時間可達8～12h，15m左右長度盾體外部建筑空隙雖填充有與泥水倉同等壓力大小的泥漿，也無法完全平衡上部土體垂直壓力，盾體上部的土體沉降不易控制；同時，同步注漿、二次注漿實施的及時性與漿液固結效果也直接影響著盾尾沉降及工后沉降。謝彬在超大直徑泥水盾構同步注漿漿液研究與應用，吳曉東、王華強 等對地質與隧道及其豎井施工技術的關系均進行了總結和分析。同步注漿材料的就地取材與渣土利用是新興的課題，從目前取得的進展分析，快速推進仍需要回歸原始基礎知識，從巖土的礦物組成，三大巖形成過程中找創新出路。

一、普通地質學及成巖礦物

普通地質學是地質學、地球化學、地球物理學、水文學、地質工程學、地理學等學科的專業基礎。工程地質學把地質學的理論、方法應用于工程實際，通過工程地質調查、勘察和研究建筑場地的地形地貌、地層巖性及其工程地質性質、地質構造、水文地質和物理地質作用等工程地質條件，預測和論證有關工程地質問題發生的可能性，并采取必要防治措施加以防治。固體地球的最外圈是地殼，它是地質學最直接的研究對象。地殼由巖石組成，巖石由礦物組成，礦物由元素組成。礦物是組成地殼的基本物質單元，用機械方法無法再劃分；元素是構成礦物的基本物質單元，用通常的化學方法不能再分解。到2007 年為止，總共有118 種元素被發現，其中94 種存在于地球上，但最常見的僅十余種。黏土礦物（蒙脫石、高嶺石）、變質礦物（綠泥石、滑石）、化合物礦物（正長石、云母、斜長石、角閃石、輝石）、自然元素礦物（石英、方解石、白云石、石膏、赤鐵礦）均對刀具、地層穩定等均有影響。巖石風化后形成土。如石灰巖是由方解石組成的集合體；花崗巖是由石英、長石、云母等多種礦物組成的集合體；礫巖是由巖石碎屑所組成的集合體。按成因分為三類：沉積巖是在地殼表層常溫常壓條件下，由母巖風化剝蝕的沉積物等經搬運、沉積和成巖作用而形成的巖石。沉積巖約占地球表面巖石的75%左右，這些巖石大多是由海洋沉積物經過成巖作用形成的。沉積巖的構造：沉積巖組成物質的空間分布和排列方式。層理、層面、化石是沉積巖特有的構造特征。頁巖、泥巖：強度低、軟弱層、是水下的隔水層。巖漿巖（火成巖）：巖漿冷凝固結而形成的巖石。第三類是變質作用（引起巖石產生結構、構造和礦物成分改變的地質作用（高溫、高壓）），片狀、千枚狀、板狀構造的巖石，力學強度低，易風化，沿片理面滑動。圖1 地殼中的礦物含量，圖2三大類巖石的轉化。抗壓強度是巖石力學性質中的一個重要指標。巖石的抗壓強度最高，抗剪強度居中，抗拉強度最小。巖石越堅硬，其值相差越大，軟弱的巖石差別較小。巖石的抗剪強度和抗壓強度，是評價巖石（巖體）穩定性的指標，是對巖石（巖體）的穩定性進行定量分析的依據。如果從與盾構施工方面分析，密切相關的還有礦物硬度和解理及相對密度。

圖1 地殼中的礦物含量

圖2 三大類巖石的轉化

泥水倉防止糊刀盤、刀具的異常磨損、渣土的利用、掌子面的穩定等這些都與礦物密切相關。僅僅從工程地質的層面分析和尋求解決方面仍是不夠深入的。除粘劑、滲透劑、活性劑、分散劑、速凝劑、緩凝劑、減水劑、聚合物等是更深一層對地質的認識和解決方案，深入到化學分子結構的深度辯證施策。同步注漿是先滲透再填充還是先填充再滲透或是二者同步進行，這些都需要地質的基礎知識。其中用采礦的思路和技術方法來分析礦物對盾構施工的影響也是可行的，如石英云母片巖主要由51.2%的石英、16.1%的黑云母、15.4%的白云母及6.3%的長石組成。云母礦物共生關系較為簡單，云母嵌布粒度長軸方向0.1～20mm，短軸方向0.01～0.2mm；石英的嵌布粒度一般為0.05～12mm。

二、地質年代及構造

巖石的描述包括地質年代、名稱、風化程度、顏色、主要礦物、結構、構造和巖石質量指標(RQD),對沉積巖應著重描述沉積物的顆粒大小、形狀、膠結物成分和膠結程度;對巖漿巖和變質巖應著重描述礦物結晶大小和結晶程度。

巖體的描述包括結構面、結構體、巖層厚度和結構類型并應符合下列規定，結構面的描述包括類型、性質、產狀、組合形式、發育程度、延展情況、閉合程度、粗糙程度、充填情況和充填物性質以及充水性質等。結構體的描述包括類型、形狀、大小和結構體在圍巖中的受力情況等。

地質年代是地球（殼）形成、發展、變化的歷史年代。常用地層的形成時代或年代來表示。按年代先后把地質歷史進行系統性編年列表，稱為地質年代表，反映了地殼中無機界（礦物、巖石）與有機界（動、植物）演化的順序、過程和階段。圖3（見上頁）國際地質年代圖。

圖3 國際地質年代圖

構造作用主要表現為地殼或巖石圈的機械運動。通常構造作用速度緩慢，不易被人直接察覺；有時卻極為快速而激烈，如引起地震的構造作用，它是引起各種規模和類型的地質構造與沉積作用發生，導致巖漿活動與變質作用的基本因素。按其運動方向主要分為水平運動和垂直運動。

風化作用是地表或接近地表的礦物和巖石，通過與大氣、水以及生物的接觸，發生物理或化學的變化，轉變成松散的碎屑物甚至土壤的過程。風化產物很松散，易被流水、冰川、風以及重力等因素的作用而搬運走（剝蝕）。因此，風化作用往往是各種外力地質作用的先導，在外力地質作用中占有特殊的地位。風化作用按其作用的性質和方式，分為物理風化、化學風化和生物風化三種類型。見圖4 風化殼垂直剖面。城市95%在土體上，做好第四紀地質基礎工作，回歸地質本源對超大直徑施工同樣意義重大。第四紀地層分為陸相沉積和海相沉積。

圖4 風化殼垂直剖面

巖體結構控制論觀點指導下的工程地質巖組劃分和工程地質分區是大尺度范圍上工程地質條件分析評價的重要內容和表現形式。巖體質量分級綜合考慮了巖體本身結構和強度特征及環境條件，是設計和施工的重要依據。在復雜地質條件下對巖體結構的尺度分辨率不確定性和因素權重的均等性處理，使巖體分類應用要結合工程地質巖組，以便更好地區分不同地質要素對巖體穩定性的不同影響，認清變形破壞模式，便于工程類比設計和超前地質預報工作的開展。根據地質的構造特性在隧道里程方向上進行組段劃分以便更有針對性的認識地質、預判風險，備足充分的措施，確保安全。

三、超大直徑盾構技術難點

隧道地質情況隱蔽復雜，盾構施工出現隧道坍塌、地面塌陷、突水突泥等甚至人員傷亡事故并不少見，隧道襯砌管片錯臺甚至開裂、滲漏水等質量問題亦常見，施工過程風險防控仍十分重要。而海底隧道與陸地隧道相比有如下特點，通過深水進行海底地質勘測比在地面的地質勘測更困難、造價更高，而且準確性相對較低，所以遇到未預測到的不良地質情況風險更大，因此，在隧道施工時必須進行超前地質預報。海底隧道施工的主要困難是突然涌水，特別是斷層破碎帶的涌水.因此必須加強施工期間對不良地質段和涌水點的預測和預報，海底隧道不能自然排水，堵水技術是關鍵技術，先注漿加固圍巖，堵住出水點，然后再開挖.在堵水的同時加強機械排水，以堵為主，堵抽結合。目前修建海底隧道的基本方法有:鉆爆法、沉管法、盾構法和掘進機法，或這幾種方法的組合。

盾構法一般限制在港灣下的淺水區和沿海地帶，在深堆積層等軟弱的不透水黏土中最為適用。該法對地面（或海底面）的影響很小。由于盾構掘進機的突出特點,所以在特長的海灣、海峽隧道建設中,有著其他施工手段往往不能代替的優勢。盾構掘進機技術發展余地很大,設備性能日益完善,適用范圍越來越廣。從近年35 個在建和已建的14m 直徑以上的超大盾構隧道分析，穿江越海的主要風險在地下水，而穿越城區的主要風險在地面沉降控制。盾構施工的風險，總是利用或尋找“地質環境條件的復雜性與不準確性”作為突破口，引發工程事故。為了有效防控地質及環境風險，必須詳細掌握工程地質、水文地質及施工環境條件。主要技術要點是通過詳勘和補勘，準確掌握地質情況；深化對地質條件、主要地質特點的認識；掌握地質對盾構設備的要求及盾構對該地質的適應性；了解主要地質與環境風險，做好不良地質的處理，并制定針對性的專項施工方案；針對性進行渣土改良；施工中注意地質的變化，及時采取專項技術措施；了解施工中地質變化對盾構的影響。超大直徑盾構的技術難點幾乎全部與地質有關。必須特別注意以下這些集中典型的地質：上軟下硬復合地層；地層分界斷面；特別堅硬地層；砂卵石地層；有大漂石的地層；全斷面砂層；含有溶洞、瓦斯地層；含水量高、承載力低、可壓縮性大的淤泥質地層。

四、案例與針對性措施

把科學嚴謹化，讓科技為國家的建設為經濟發展服務，因此要鼓勵原始性創新。原始性創新不只是少量數學家、物理學家、科學家的事情。實際上，各個層次，各個方面都有它的原始性創新的問題，都有一個源頭的問題，探索的問題。不僅在理論上、科學上是這樣，技術上也是這樣。技術上的屬于技術創新，學術上則是智識創新,建設上有工程創新。

認識地質的特性，從基礎做起，開展原始性創新。例如某工程盾構段從萬頃沙始發，始發段約300m 位于陸地外，其余全部位于珠江水域，盾構下穿太平水道，川鼻水道及龍穴南水道，海底高程-23.5～-0.5m，地形起伏較大。隧道洞身主要從全強風化基巖中穿過。基巖為震旦系片巖，受斷裂影響，風化層總體較厚，最厚處達百米以上。局部有基巖凸起現象，弱風化巖面埋深約48m,高程約－51.3m。見圖5(a)(b)地質剖面圖。全風化片巖巖土施工工程分級為皿級，強風化片巖巖土施工工程分級為V 級，弱風化片巖巖土施工工程分級為V 級，微風化片巖巖土施工工程分級為I 級。圍巖綜合分級為V～Ⅵ級。地下水為主要為弱～微風化片巖中的基巖裂隙水，以及全強風化片巖中的孔隙裂隙水，除強風化片巖水量較豐富外，其余地段水量小。圍巖綜合分級為Ⅲ～Ⅳ級。

圖5 (a)區域地質剖面圖

片巖是具有典型的片狀構造的變質巖的一種，是區域變質的產物。變質巖系是在一定大地構造環境下形成不同成因類型的原巖建造，在地殼演化過程中經受多期構造變形、變質作用改造的產物。其特征是片理構造，由片狀，板狀，纖維狀礦物相互平行排列，粒度較粗，肉眼可辨別。主要礦物為云母，石英，角閃石，綠泥石等。強度較低，極易風化，抗凍性差。通過宏觀和微觀的地質分析，從盾構機選型階段即進行針對性設計。

另一隧道穿越地層自西向東依次為花崗巖、凝灰質砂巖、碎裂巖、片巖和變質砂巖，主要為上軟下硬及硬巖地層，單軸抗壓強度值最大為173.7MPa。全線共分布有9 條斷層破碎帶和2 條次生斷裂帶，斷裂帶主要為扭擠成因，表現為黏性顆粒含量高達67.5%的糜棱巖和構造角礫巖。軟硬不均、糜棱巖等特殊地層對盾構掘進參數、效率的影響極其顯著，易出現刀具異常磨損、刀盤刀具結泥、掘進參數急劇惡化、超挖等問題，稍有不慎易出現地表沉降過大甚至坍塌的風險。盾構段沿線影響范圍內橋梁共9 座，河流2 條，建筑物106棟，修建于20 世紀八九十年代的占比達95%。橋梁樁基距離隧道水平距離最近為1.3m，垂直方向已進入隧道開挖斷面投影內；地表建筑物多為1～7 層低矮砌體、磚混框架結構，地基多為條形基礎、預應力管樁、錘擊沉管灌注樁或人工挖孔樁，樁端持力層多為黏土、卵石或中風化巖層。盾構隧道正穿或側穿，泥水壓力不足引起的超挖或失水會導致地層拱落沉降或固結沉降，對以摩擦樁為主要基礎形式的建（構）筑物安全影響較大。超大直徑盾構殼體與開挖輪廓間存在建筑間隙，為地表沉降提供了必要條件。地質縱斷面見圖6(a)、(b)。

圖6 （a）地質剖面圖

穿越地層有細砂、礫砂、卵石、砂質黏性土、強風化花崗巖、中風化花崗巖、強風化碎裂巖、中風化碎裂巖、微風化碎裂巖、強風化凝灰質砂巖、中風化凝灰質砂巖、微風化凝灰質砂巖，先后穿越8 條糜棱巖、構造角礫巖斷層破碎帶，地層破碎、軟硬不均、風化巖層黏性礦物平均含量67.5%，刀盤刀具結泥餅、刀盤開口堵塞概率極高。

板巖是具有板狀構造，基本沒有重結晶的變質巖。原巖為泥質、粉質或中性凝灰巖，沿板理方向可以剝成薄片。斷層是指巖石在構造應力作用下發生斷裂，沿著斷裂面兩側的巖塊發生明顯相對位移的構造現象。斷層巖石破碎若重新膠結，能形成一種特殊的角礫狀巖石，叫作斷層角礫巖；那些很細的則稱為糜棱巖，其未膠結者稱為斷層泥。糜棱巖在形成過程中很重要的一點就是伴有重結晶的發生。

措施一，用壓縮空氣置換泥漿后，使沖刷管路可以直接對刀盤背部進行沖洗，有助于延緩泥餅的膠結；但由于刀盤轉動時可能直接沖刷到掌子面，影響泥膜的形成，在地層變換時及時改變掘進模式及管路切換，防止出現掌子面坍塌。泥水盾構采用輔助氣壓掘進是將壓縮空氣填充前倉上半部與下半部的泥漿以平衡掌子面、盾構三大密封系統的油脂。壓縮空氣除了與泥漿能共同維持掌子面穩定外，壓縮空氣進入盾體與開挖輪廓間隙，平衡盾體與地下水，同時也平衡盾構機密封系統。

措施二，分散劑：在接泥漿管時停機的大約1 小時時間內，向前倉注入1 方分散劑，10min 轉動一次刀盤。在設備檢修或倒班或其他原因長時間停機時，向前倉注入1 方分散劑，氣墊倉注入0.5 方分散劑。根據泥水盾構必須有2 小時的停止循環接管時間，針對本工程地質情況調制原液配比，最終調制好的分散劑2小時可達80%的效果。

措施三，以“微超壓”掘進模式，實現刀盤上浮及前方地層的“微隆起”。根據地質、水文、埋深及地表建（構）筑物情況計算獲取掘進泥水壓力的理論值，并適當調高0.1～0.3bar，配合較高性能指標的循環泥漿，避免掌子面土體超挖，使刀盤上方與前方地表呈現1～3mm 的隆起，控制地表沉降5 階段之先行沉降、掌子面前方沉降。

措施四，盾殼外注泥，填充建筑空隙。可根據同步注漿壓力、管片開孔檢查效果，通過盾尾徑向注漿孔或超前注漿孔對開挖輪廓上半部按一環一注或多環一注，注泥壓力應高于泥水倉壓力3bar，抵抗上部土體和地下水壓力，控制地表沉降5 階段之盾體上方沉降。

措施五，刀具管理，盾構區間不僅需穿越常見的軟弱地層，同時還需在部分硬巖地段中通過。因此在刀具選擇上既要考慮在軟巖中開挖的需要，也要考慮在硬巖中的要求。一般認為刮刀適用于土層及部分軟巖，滾刀適用于硬巖，其中單刃滾刀能用在強度很高的巖石中。切削刀是盾構機切削開挖面土體的主刀具，切削刀一般情況下，β（前角）與α（后角）值隨切削地層特性不同變化，取值范圍在5～20 度之間，黏土地層稍大，砂卵石地層稍小。

措施六，同步注漿，水灰比和粉灰比對漿液凝結時間影響最大。通過對影響因子進行了多元二次多項式的分線性回歸分析，得到了漿液配比與漿液各個工程性質之間的關系函數，從而可以根據設定的漿液工程性質通過以上關系函數很快得到漿液配比，減少了工程上漿液配比隨意性、大大減少漿液優化調配的時間。如某隧道穿越的地層80%均為粉細砂地層，這種砂具有質地均勻、工程性能優良等特點。對廢棄的粉細砂通過過篩除去大于2mm 粒徑礫石后，用于漿液的配比試驗，得到了新的漿液配方，能夠達到盾構壁后的漿液工程性質，但卻省下了粉細砂的購買和運輸、以及膨潤土的用量也可以大大減少（廢棄的粉細砂中含有一定量黏性顆粒，起到了膨潤土的潤滑作用）。經過計算分析，如采用現有的漿液配方，一方漿液的材料價格為48.2 元，而原配方的漿液一方價格高達111.7 元，采用廢棄砂再利用后的配方成本可以節約原來的56%。經過以上分析表明：地層中的廢棄砂能夠適用于盾構壁后注漿漿液，能夠大大節約成本。在硬巖組段，同步注漿與管片上浮關系密切，優化配比是非常重要的。

五、結語

從礦物到巖石，從區域到組段，從形成到風化,從微觀到宏觀，從地質形成、風化程度、區域構造、巖土礦物組成這些最原始的層面探尋影響超大盾構施工的創新方向和做法是基礎中的基礎。也是解決近年超大直徑盾構在繁華城區、洞身全斷面巖層但上覆蓋不良地層、濱海水域高度差異化地層掘進中出現的新問題的必經之路，提前對地質區段進行組段劃分，保護刀具和控制上浮，圍繞掌子面等多個部位的動態平衡，適時切換模式和調整配置。在預控基礎上加強過程分析與管理。現在有必要回歸地質工程的本身，夯實基礎，守正創新。